JP2004270603A - 内燃機関および内燃機関の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】点火時期を適切に設定して、機関始動時における排気エミッションを良好に低減させることを目的とする。
【解決手段】燃焼室３内で燃料を燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、各点火プラグ７による点火時期を遅角または進角させることができるＥＣＵ２０を備えており、ＥＣＵ２０は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上であるか否かを判定する処理（Ｓ１０，Ｓ１２）を実行し、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させる（Ｓ１４）。
【選択図】 図２
【解決手段】燃焼室３内で燃料を燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、各点火プラグ７による点火時期を遅角または進角させることができるＥＣＵ２０を備えており、ＥＣＵ２０は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上であるか否かを判定する処理（Ｓ１０，Ｓ１２）を実行し、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させる（Ｓ１４）。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関およびその制御方法に関し、特に、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる内燃機関およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関の排気ガスは、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等の有害物質を除去すべく三元触媒等の触媒を用いて浄化処理される。この種の触媒は、その温度が活性温度以上となっている場合に本来の浄化性能を発揮するものであり、活性温度を下回っている未活性状態では、排気ガス中のＨＣ等を十分に浄化し得ないものである。このため、各種内燃機関では、従来から、いわゆる冷間始動時等に、通常時よりも燃焼室における混合気の点火時期を遅角させ、それにより、排気温度を上昇させて触媒を早期に活性化させる手法が採用されている。
【０００３】
一方、内燃機関において用いられる燃料としては、軽質（標準）燃料と重質燃料とが存在しているが、一般に、重質燃料の揮発性は、軽質燃料に比べて低い。従って、重質燃料の使用時に、軽質燃料の使用時と同様にして点火時期を遅角させると、燃焼状態が悪化したり、失火やトルク不足を招いたりしてしまう。このため、触媒が未活性状態にあり、かつ、点火時期制御を実行すべきであると判定された際に、その時点での機関回転数に基づいて、混合気の点火時期を設定する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この手法のもとでは、当該判定時における機関回転数が目標回転数以上であれば、燃料として軽質燃料を用いているとみなして点火時期が通常時よりも遅角させられる一方、機関回転数が目標回転数を下回っていれば、燃料として重質燃料を用いているとみなして点火時期が進角させられる。なお、燃料の性状を検出する手法としては、機関始動後に、水温が所定温度範囲内にあり、かつ、アイドル状態にあると判定された際に、その時点での機関回転数の最大値またはその近傍の値に基づいて、使用されている燃料が軽質燃料であるか重質燃料であるかを判定する手法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−４７０３９号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０５０２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の手法を用いたとしても、機関始動後、点火時期を適切に遅角等させるまでには、ある程度の時間を要することになる。このため、従来の内燃機関では、結局のところ触媒を早期に暖機させることが困難となっており、近年の排気ガス規制の強化に伴い、ますます重要となっている機関始動時におけるＨＣ等の排気エミッションの低減化を十分に達成できてはいない。
【０００７】
そこで、本発明は、点火時期を適切に設定して、機関始動時における排気エミッションを極めて良好に低減させることができる内燃機関および内燃機関の制御方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による内燃機関は、燃焼室内で燃料を燃焼させて動力を発生可能な内燃機関において、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる点火時期設定手段を備え、この点火時期設定手段は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上であるか否かを判定する判定処理を実行し、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させることを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関では、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いに基づいて、点火時期を遅角させるか否かが判定されるので、必要な場合には、機関始動後、極めて短時間のうちに点火時期が遅角させられ、それにより、触媒を早期に暖機させることが可能となる。また、軽質燃料と重質燃料とでは機関始動直後における機関回転数の上昇度合いが異なるので、このような判定処理によって内燃機関において使用されている燃料の性状を判定可能となり、機関始動後、極めて短時間のうちに、燃料性状に応じて点火時期を遅角または進角させることが可能となる。この結果、この内燃機関によれば、点火時期を適切に設定して、機関始動時の排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００１０】
この場合、点火時期設定手段は、１回目の点火が実行された段階で上記判定処理を実行すると好ましい。
【００１１】
すなわち、内燃機関（多気筒内燃機関の場合、全気筒）において１回目（１サイクル目）の点火が実行されれば（完了すれば）、燃焼室内で燃料（混合気）が燃焼し、それに応じて機関回転数が上昇する。また、重質燃料は軽質燃料に比べて揮発し難いことから、１回目（１サイクル目）の点火（燃焼）が実行されれば、機関始動直後における機関回転数の上昇度合いから、軽質燃料であるか重質燃料であるかを判定することが可能となる。これらの点から、１回目（１サイクル目）の点火が実行された段階（１回目の点火が完了した時点）は、点火時期を遅角させるか否かを判定するタイミングとして最も早いタイミングといえる。従って、かかる構成を採用すれば、使用される燃料の性状に応じて、機関始動後、極めて短時間のうちに点火時期を遅角等させて排気エミッションを低減させることができる。
【００１２】
そして、点火時期設定手段は、上記判定処理に際して、１回目の点火が実行された段階で機関回転数が所定値以上である場合に、点火時期を遅角させると好ましい。
【００１３】
また、点火時期設定手段は、機関始動直後に機関回転数のピークが検出されるまで点火時期を遅角させると共に、機関回転数のピークが検出された後に、点火時期を進角させると好ましい。
【００１４】
このような構成のもとでは、機関始動直後に、触媒を早期に暖機させることが可能となると共に、機関回転数のピークが検出された後には、点火時期を進角させることにより排気ガスの量を低下させることができる。従って、かかる構成によれば、排気エミッションを全体として極めて良好に低減させることが可能となる。
【００１５】
更に、点火時期設定手段が点火時期を遅角させた際に、燃焼室に供給される燃料と空気との混合気の空燃比がリーン化されると好ましい。
【００１６】
このような構成を採用すれば、点火時期を遅角させたことによって燃焼室から排気系統へと流出した燃料の燃焼を促進させることが可能となるので、排気エミッションを極めて良好に低減させることができる。
【００１７】
また、点火時期設定手段は、機関始動直後に点火時期を遅角させなかった場合であって、かつ、機関始動直後の機関回転数のピークが所定値以上である場合には、機関回転数のピークが検出された後に点火時期を遅角させると好ましい。
【００１８】
すなわち、この内燃機関にて用いられる燃料の性状によっては、機関始動直後に点火時期が遅角されないこともあるが、このような場合であっても、機関始動直後の機関回転数のピークが所定値以上である場合には、機関回転数のピーク検出後に点火時期を遅角させることにより、排気ガス温度を上昇させて触媒の暖機を促進させることが可能となる。
【００１９】
本発明による内燃機関の制御方法は、燃焼室内で燃料を燃焼させて動力を発生可能であり、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる内燃機関の制御方法において、機関始動直後の機関回転数の上昇度が所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による内燃機関および内燃機関の制御方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃焼成分を含む混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。
【００２２】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５を構成する吸気管５ａにそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６を構成する排気管６ａにそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ７が各燃焼室３内に臨むように配設されている。
【００２３】
吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインＬ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットル（本実施形態では、電子スロットル）１０が組み込まれている。また、各吸気管５ａには、図示されない燃料ポンプを介して燃料タンクに接続された燃料噴射弁１１が設置されている。各燃料噴射弁１１は、ガソリン等の燃料（軽質燃料および重質燃料の双方を含む）を対応する吸気管５ａの内部に噴射可能であり、各燃料噴射弁１１により噴射された燃料は、サージタンク８からの空気と混ざり合って混合気として各燃焼室３に吸入される。一方、排気マニホールド６は、図１に示されるように、触媒装置（三元触媒）１２に接続されている。
【００２４】
上述の各点火プラグ７、スロットル１０、各燃料噴射弁１１および動弁機構等は、内燃機関１の制御手段として機能するＥＣＵ２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。また、ＥＣＵ２０には、内燃機関１のクランク角センサ１４、排気マニホールド６を流通する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ１５、触媒装置１２の触媒温度を検出する触媒温度センサ１６等が電気的に接続されている。
【００２５】
ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、内燃機関１の機関回転数を求め、求めた機関回転数、更には、排気ガス温度、触媒温度等に基づいて、各点火プラグ７、スロットル１０、各燃料噴射弁１１および動弁機構等等を制御する。すなわち、本実施形態のＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４等からの信号に基づいて、各点火プラグ７による点火時期を遅角または進角させる点火時期設定手段として機能し得る。
【００２６】
次に、図２および図３を参照しながら、機関始動時における内燃機関１の動作について説明する。まず、図２に示されるように、内燃機関１のＥＣＵ２０は、ユーザによってスタータキー操作（イグニッションキー操作）が実行されると、燃焼室３ごとに設けられている各点火プラグ７による１回目（１サイクル目）の点火が実行されたか否か（完了しているか否か）、すなわち、複数の燃焼室（気筒）３のすべてについて１サイクル目の点火が完了しているか否かを判定する（Ｓ１０）。
【００２７】
ＥＣＵ２０は、Ｓ１０にて複数の燃焼室３のすべてについて点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了していると判断した場合、クランク角センサ１４から受け取った信号に基づいて、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１（図３参照）における内燃機関１の機関回転数ＮＥ１を求め、求めた機関回転数ＮＥ１と、予め定められている閾値ＮＥｘと比較する（Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて時刻Ｔ１における機関回転数ＮＥ１が閾値ＮＥｘ以上であると判断した場合、それ以後、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ予め定められた量だけ遅角させる（Ｓ１４）。なお、閾値ＮＥｘは、軽質燃料が使用されるとの前提のもとで、内燃機関１の各種運転条件等を考慮して定められる値であり、ＥＣＵ２０の記憶装置に予め記憶されている。
【００２８】
ここで、内燃機関１において、上述のような判定処理を経て、各点火プラグ７による点火時期の設定が行なわれるのは、次のような理由による。すなわち、内燃機関１の各燃焼室３内において１サイクル目の点火が完了していれば、各燃焼室３内で燃料と空気との混合気が燃焼してピストン４を移動させ、それに応じて機関回転数が上昇する。
【００２９】
また、軽質（標準）燃料と重質燃料との間には揮発性の差が存在していることから、機関始動直後の機関回転数の上昇度合い、すなわち、内燃機関１が始動させられてから（スタータキー操作時）、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１までの間における機関回転数の上昇度合いを実質的に示す値ＮＥ１は、内燃機関１にて使用された燃料が軽質燃料である場合と、重質燃料である場合とで異なることになる（図３において実線および一点鎖線で示される機関回転数の曲線を参照）。
【００３０】
つまり、図３に示されるように、内燃機関１が始動されてから、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１までの間における機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１は、内燃機関１の燃料として軽質燃料が用いられた場合、重質燃料が用いられた場合に比べて大きくなる。従って、すべての燃焼室３において１サイクル目の点火が完了すれば、内燃機関１において使用されている燃料が軽質燃料であるか重質燃料であるかを判定することが可能となり、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が予め適切に定められた閾値ＮＥｘ以上である場合には、内燃機関１において軽質燃料が用いられているとみなすことができる。これらの点から、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時点は、内燃機関１において軽質燃料が用いられている場合に、各点火プラグ７による点火時期を遅角させるか否か判定するのに最も早いタイミングといえる。
【００３１】
このような理由から、内燃機関１のＥＣＵ２０は、各点火プラグ７による１サイクル目（１回目）の点火が完了した段階で（図３の時刻Ｔ１において）、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が閾値ＮＥｘ以上であるか否かを判定する処理を実行する（Ｓ１０，Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ２０は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が閾値ＮＥｘ以上である場合、内燃機関１において軽質燃料が用いられていると判断し、図３において実線で示された点火時期の波形からわかるように、時刻Ｔ１以降、各点火プラグ７による点火時期を所定量だけ遅角させる（Ｓ１４）。なお、図３において、点火時期を示す波形は、図中上向きになっている場合、点火時期を進角させることを示し、図中下向きになっている場合、点火時期を遅角させることを示す。
【００３２】
この結果、内燃機関１では、軽質燃料が使用されている場合、機関始動後、極めて短時間のうちに各点火プラグ７による点火時期が遅角させられることになる。これにより、各燃焼室３から排出される排気ガス温度が上昇し、排気マニホールド６におけるＨＣのいわゆる後燃えが促進されると共に、触媒装置１２の三元触媒を早期に活性化させることが可能となる。従って、内燃機関１では、軽質燃料が使用されている場合、排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００３３】
さて、ＥＣＵ２０は、Ｓ１４にて各点火プラグ７による点火時期を遅角させると、記憶装置に予め記憶されているマップ等に従い、各燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を変化させると共にスロットル１０の開度を調節することにより、各燃焼室３に供給される燃料と空気との混合気の空燃比Ａ／Ｆをそれまでの理想空燃比よりもリーン化（酸素過剰化）させる（Ｓ１６）。これにより、Ｓ１４にて各点火プラグ７による点火時期を遅角させたことによって各燃焼室３から排気マニホールド６へと流出した燃料の燃焼をより効果的に促進させることが可能となるので、排気エミッションをより一層良好に低減させることができる。
【００３４】
更に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１６にて各燃焼室３に供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆをリーン化させた後、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、機関回転数の変動における変曲点を求めることにより、機関始動後に内燃機関１の機関回転数が一旦ピーク値ＮＥｐに達したか否かを判定する（Ｓ１８）。ＥＣＵ２０は、Ｓ１８にて内燃機関１の機関回転数がピーク値ＮＥｐに達したと判断した場合、図３に示されるように、その時点（図３における時刻Ｔｐ）以後、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ進角させる（Ｓ２０）。
【００３５】
このように、機関始動後に、機関回転数のピーク値ＮＥｐが一旦検出された段階から各点火プラグ７による点火時期を進角させることにより、各燃焼室３から排出される排気ガスの量を低下させることができる。この結果、内燃機関１では、排気エミッションを全体として極めて良好に低減させることが可能となる。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０の処理を実行した後、図２の機関始動時における点火時期設定処理を終了させ、通常運転時の処理へと移行する。
【００３６】
一方、内燃機関１の燃料として重質燃料が用いられた場合、内燃機関１が始動されてから、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１までの間における機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１は、軽質燃料が用いられた場合と比較して小さくなる（図３において実線および一点鎖線で示される機関回転数の曲線を参照）。このため、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が閾値ＮＥｘを下回っていると判断した場合、内燃機関１において重質燃料が用いられているとみなし、図３において一点鎖線で示された点火時期の波形からわかるように、それ以後（時刻Ｔ１以降）、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ進角させる（Ｓ２２）。
【００３７】
この結果、内燃機関１では、重質燃料が使用されている場合、機関始動後、極めて短時間のうちに各点火プラグ７による点火時期が進角させられることになる。これにより、重質燃料が使用されている場合であっても、各燃焼室３内における燃焼が促進されるので、内燃機関１を安定した状態で作動させることが可能となる。
【００３８】
更に、ＥＣＵ２０は、Ｓ２２にて各点火プラグ７による点火時期を進角させると、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、機関回転数の変動における変曲点を求めることにより、機関始動後に内燃機関１の機関回転数が一旦ピーク値ＮＥｐに達したか否かを判定する（Ｓ２４）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２４にて内燃機関１の機関回転数がピーク値ＮＥｐに達したと判断した場合、更に、機関回転数のピーク値ＮＥｐが予め定められている閾値ＮＥｙ以上であるか否かを判定する（Ｓ２６）。なお、Ｓ２６の判定処理において用いられる閾値ＮＥｙは、重質燃料が使用されるとの前提のもとで、内燃機関１の各種運転条件等を考慮して定められる値であり、ＥＣＵ２０の記憶装置に予め記憶されている。
【００３９】
ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて機関回転数のピーク値ＮＥｐが予め定められている閾値ＮＥｙ以上であると判断した場合、図３に示されるように、その時点（図３における時刻Ｔｐ）以後、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ遅角させる（Ｓ２８）。すなわち、内燃機関１では、燃料として重質燃料が用いられている場合、上述のように機関始動直後に点火時期が遅角されず、進角されることになるが（Ｓ２２）、このような場合であっても、内燃機関１では、機関始動直後の機関回転数のピーク値ＮＥｐが所定の閾値ＮＥｙ以上になると、当該ピーク値ＮＥｐの検出後に各点火プラグ７による点火時期が遅角させられる。これにより、排気ガス温度を上昇させて触媒装置１２の暖機を促進させることが可能となる。
【００４０】
ＥＣＵ２０は、Ｓ２８にて、所定時間（例えば、２０秒程度）だけ各点火プラグ７による点火時期を遅角させた後、Ｓ２０にて各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ進角させる。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０の処理を実行した後、図２の機関始動時における点火時期設定処理を終了させ、通常運転時の処理へと移行する。
【００４１】
また、ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて機関回転数のピーク値ＮＥｐが予め定められている閾値ＮＥｙを下回っていると判断した場合（図３において二点鎖線で示される機関回転数の曲線を参照）、図２に示されるように、Ｓ２０にて各点火プラグ７による点火時期を必要に応じて所定量だけ進角させる（図３において二点鎖線で示される例では、進角量がそのままに維持されている）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０の処理を実行した後、図２の機関始動時における点火時期設定処理を終了させ、通常運転時の処理へと移行する。
【００４２】
上述のように、内燃機関１によれば、機関始動後、極めて短時間のうちに、使用される燃料の性状に応じて点火時期を遅角または進角させることが可能となり、機関始動時の排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００４３】
なお、上述の内燃機関１は、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了していると判断された段階で（Ｓ１０）、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１と、予め定められた閾値ＮＥｘとが比較される（Ｓ１２）ものとして説明されたが、これに限られるものではない。すなわち、Ｓ１２における判定処理は、排気温度センサ１５によって検出される排気温度が、触媒装置１２よりも上流側の排気系統（排気マニホールド６）において未燃ＨＣが燃焼する限界温度である後燃え反応限界温度を超えた段階で行われてもよい。このように、排気温度センサ１５によって検出される排気温度が後燃え反応限界温度を超えたと判断された段階で、図２のＳ１２における判定処理が行なわれても、機関始動後、極めて短時間のうちに、使用される燃料の性状に応じて点火時期を遅角または進角させることが可能となり、機関始動時の排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、点火時期を適切に設定して、機関始動時における排気エミッションを極めて良好に低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】図１の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１の内燃機関の動作を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ 吸気マニホールド
６ 排気マニホールド
７ 点火プラグ
１０ スロットル
１１ 燃料噴射弁
１２ 触媒装置
１４ クランク角センサ
２０ ＥＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関およびその制御方法に関し、特に、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる内燃機関およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関の排気ガスは、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等の有害物質を除去すべく三元触媒等の触媒を用いて浄化処理される。この種の触媒は、その温度が活性温度以上となっている場合に本来の浄化性能を発揮するものであり、活性温度を下回っている未活性状態では、排気ガス中のＨＣ等を十分に浄化し得ないものである。このため、各種内燃機関では、従来から、いわゆる冷間始動時等に、通常時よりも燃焼室における混合気の点火時期を遅角させ、それにより、排気温度を上昇させて触媒を早期に活性化させる手法が採用されている。
【０００３】
一方、内燃機関において用いられる燃料としては、軽質（標準）燃料と重質燃料とが存在しているが、一般に、重質燃料の揮発性は、軽質燃料に比べて低い。従って、重質燃料の使用時に、軽質燃料の使用時と同様にして点火時期を遅角させると、燃焼状態が悪化したり、失火やトルク不足を招いたりしてしまう。このため、触媒が未活性状態にあり、かつ、点火時期制御を実行すべきであると判定された際に、その時点での機関回転数に基づいて、混合気の点火時期を設定する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この手法のもとでは、当該判定時における機関回転数が目標回転数以上であれば、燃料として軽質燃料を用いているとみなして点火時期が通常時よりも遅角させられる一方、機関回転数が目標回転数を下回っていれば、燃料として重質燃料を用いているとみなして点火時期が進角させられる。なお、燃料の性状を検出する手法としては、機関始動後に、水温が所定温度範囲内にあり、かつ、アイドル状態にあると判定された際に、その時点での機関回転数の最大値またはその近傍の値に基づいて、使用されている燃料が軽質燃料であるか重質燃料であるかを判定する手法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−４７０３９号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０５０２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の手法を用いたとしても、機関始動後、点火時期を適切に遅角等させるまでには、ある程度の時間を要することになる。このため、従来の内燃機関では、結局のところ触媒を早期に暖機させることが困難となっており、近年の排気ガス規制の強化に伴い、ますます重要となっている機関始動時におけるＨＣ等の排気エミッションの低減化を十分に達成できてはいない。
【０００７】
そこで、本発明は、点火時期を適切に設定して、機関始動時における排気エミッションを極めて良好に低減させることができる内燃機関および内燃機関の制御方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による内燃機関は、燃焼室内で燃料を燃焼させて動力を発生可能な内燃機関において、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる点火時期設定手段を備え、この点火時期設定手段は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上であるか否かを判定する判定処理を実行し、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させることを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関では、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いに基づいて、点火時期を遅角させるか否かが判定されるので、必要な場合には、機関始動後、極めて短時間のうちに点火時期が遅角させられ、それにより、触媒を早期に暖機させることが可能となる。また、軽質燃料と重質燃料とでは機関始動直後における機関回転数の上昇度合いが異なるので、このような判定処理によって内燃機関において使用されている燃料の性状を判定可能となり、機関始動後、極めて短時間のうちに、燃料性状に応じて点火時期を遅角または進角させることが可能となる。この結果、この内燃機関によれば、点火時期を適切に設定して、機関始動時の排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００１０】
この場合、点火時期設定手段は、１回目の点火が実行された段階で上記判定処理を実行すると好ましい。
【００１１】
すなわち、内燃機関（多気筒内燃機関の場合、全気筒）において１回目（１サイクル目）の点火が実行されれば（完了すれば）、燃焼室内で燃料（混合気）が燃焼し、それに応じて機関回転数が上昇する。また、重質燃料は軽質燃料に比べて揮発し難いことから、１回目（１サイクル目）の点火（燃焼）が実行されれば、機関始動直後における機関回転数の上昇度合いから、軽質燃料であるか重質燃料であるかを判定することが可能となる。これらの点から、１回目（１サイクル目）の点火が実行された段階（１回目の点火が完了した時点）は、点火時期を遅角させるか否かを判定するタイミングとして最も早いタイミングといえる。従って、かかる構成を採用すれば、使用される燃料の性状に応じて、機関始動後、極めて短時間のうちに点火時期を遅角等させて排気エミッションを低減させることができる。
【００１２】
そして、点火時期設定手段は、上記判定処理に際して、１回目の点火が実行された段階で機関回転数が所定値以上である場合に、点火時期を遅角させると好ましい。
【００１３】
また、点火時期設定手段は、機関始動直後に機関回転数のピークが検出されるまで点火時期を遅角させると共に、機関回転数のピークが検出された後に、点火時期を進角させると好ましい。
【００１４】
このような構成のもとでは、機関始動直後に、触媒を早期に暖機させることが可能となると共に、機関回転数のピークが検出された後には、点火時期を進角させることにより排気ガスの量を低下させることができる。従って、かかる構成によれば、排気エミッションを全体として極めて良好に低減させることが可能となる。
【００１５】
更に、点火時期設定手段が点火時期を遅角させた際に、燃焼室に供給される燃料と空気との混合気の空燃比がリーン化されると好ましい。
【００１６】
このような構成を採用すれば、点火時期を遅角させたことによって燃焼室から排気系統へと流出した燃料の燃焼を促進させることが可能となるので、排気エミッションを極めて良好に低減させることができる。
【００１７】
また、点火時期設定手段は、機関始動直後に点火時期を遅角させなかった場合であって、かつ、機関始動直後の機関回転数のピークが所定値以上である場合には、機関回転数のピークが検出された後に点火時期を遅角させると好ましい。
【００１８】
すなわち、この内燃機関にて用いられる燃料の性状によっては、機関始動直後に点火時期が遅角されないこともあるが、このような場合であっても、機関始動直後の機関回転数のピークが所定値以上である場合には、機関回転数のピーク検出後に点火時期を遅角させることにより、排気ガス温度を上昇させて触媒の暖機を促進させることが可能となる。
【００１９】
本発明による内燃機関の制御方法は、燃焼室内で燃料を燃焼させて動力を発生可能であり、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる内燃機関の制御方法において、機関始動直後の機関回転数の上昇度が所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による内燃機関および内燃機関の制御方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃焼成分を含む混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。
【００２２】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５を構成する吸気管５ａにそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６を構成する排気管６ａにそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ７が各燃焼室３内に臨むように配設されている。
【００２３】
吸気マニホールド５（各吸気管５ａ）は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインＬ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットル（本実施形態では、電子スロットル）１０が組み込まれている。また、各吸気管５ａには、図示されない燃料ポンプを介して燃料タンクに接続された燃料噴射弁１１が設置されている。各燃料噴射弁１１は、ガソリン等の燃料（軽質燃料および重質燃料の双方を含む）を対応する吸気管５ａの内部に噴射可能であり、各燃料噴射弁１１により噴射された燃料は、サージタンク８からの空気と混ざり合って混合気として各燃焼室３に吸入される。一方、排気マニホールド６は、図１に示されるように、触媒装置（三元触媒）１２に接続されている。
【００２４】
上述の各点火プラグ７、スロットル１０、各燃料噴射弁１１および動弁機構等は、内燃機関１の制御手段として機能するＥＣＵ２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。また、ＥＣＵ２０には、内燃機関１のクランク角センサ１４、排気マニホールド６を流通する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ１５、触媒装置１２の触媒温度を検出する触媒温度センサ１６等が電気的に接続されている。
【００２５】
ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、内燃機関１の機関回転数を求め、求めた機関回転数、更には、排気ガス温度、触媒温度等に基づいて、各点火プラグ７、スロットル１０、各燃料噴射弁１１および動弁機構等等を制御する。すなわち、本実施形態のＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４等からの信号に基づいて、各点火プラグ７による点火時期を遅角または進角させる点火時期設定手段として機能し得る。
【００２６】
次に、図２および図３を参照しながら、機関始動時における内燃機関１の動作について説明する。まず、図２に示されるように、内燃機関１のＥＣＵ２０は、ユーザによってスタータキー操作（イグニッションキー操作）が実行されると、燃焼室３ごとに設けられている各点火プラグ７による１回目（１サイクル目）の点火が実行されたか否か（完了しているか否か）、すなわち、複数の燃焼室（気筒）３のすべてについて１サイクル目の点火が完了しているか否かを判定する（Ｓ１０）。
【００２７】
ＥＣＵ２０は、Ｓ１０にて複数の燃焼室３のすべてについて点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了していると判断した場合、クランク角センサ１４から受け取った信号に基づいて、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１（図３参照）における内燃機関１の機関回転数ＮＥ１を求め、求めた機関回転数ＮＥ１と、予め定められている閾値ＮＥｘと比較する（Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて時刻Ｔ１における機関回転数ＮＥ１が閾値ＮＥｘ以上であると判断した場合、それ以後、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ予め定められた量だけ遅角させる（Ｓ１４）。なお、閾値ＮＥｘは、軽質燃料が使用されるとの前提のもとで、内燃機関１の各種運転条件等を考慮して定められる値であり、ＥＣＵ２０の記憶装置に予め記憶されている。
【００２８】
ここで、内燃機関１において、上述のような判定処理を経て、各点火プラグ７による点火時期の設定が行なわれるのは、次のような理由による。すなわち、内燃機関１の各燃焼室３内において１サイクル目の点火が完了していれば、各燃焼室３内で燃料と空気との混合気が燃焼してピストン４を移動させ、それに応じて機関回転数が上昇する。
【００２９】
また、軽質（標準）燃料と重質燃料との間には揮発性の差が存在していることから、機関始動直後の機関回転数の上昇度合い、すなわち、内燃機関１が始動させられてから（スタータキー操作時）、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１までの間における機関回転数の上昇度合いを実質的に示す値ＮＥ１は、内燃機関１にて使用された燃料が軽質燃料である場合と、重質燃料である場合とで異なることになる（図３において実線および一点鎖線で示される機関回転数の曲線を参照）。
【００３０】
つまり、図３に示されるように、内燃機関１が始動されてから、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１までの間における機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１は、内燃機関１の燃料として軽質燃料が用いられた場合、重質燃料が用いられた場合に比べて大きくなる。従って、すべての燃焼室３において１サイクル目の点火が完了すれば、内燃機関１において使用されている燃料が軽質燃料であるか重質燃料であるかを判定することが可能となり、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が予め適切に定められた閾値ＮＥｘ以上である場合には、内燃機関１において軽質燃料が用いられているとみなすことができる。これらの点から、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時点は、内燃機関１において軽質燃料が用いられている場合に、各点火プラグ７による点火時期を遅角させるか否か判定するのに最も早いタイミングといえる。
【００３１】
このような理由から、内燃機関１のＥＣＵ２０は、各点火プラグ７による１サイクル目（１回目）の点火が完了した段階で（図３の時刻Ｔ１において）、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が閾値ＮＥｘ以上であるか否かを判定する処理を実行する（Ｓ１０，Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ２０は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が閾値ＮＥｘ以上である場合、内燃機関１において軽質燃料が用いられていると判断し、図３において実線で示された点火時期の波形からわかるように、時刻Ｔ１以降、各点火プラグ７による点火時期を所定量だけ遅角させる（Ｓ１４）。なお、図３において、点火時期を示す波形は、図中上向きになっている場合、点火時期を進角させることを示し、図中下向きになっている場合、点火時期を遅角させることを示す。
【００３２】
この結果、内燃機関１では、軽質燃料が使用されている場合、機関始動後、極めて短時間のうちに各点火プラグ７による点火時期が遅角させられることになる。これにより、各燃焼室３から排出される排気ガス温度が上昇し、排気マニホールド６におけるＨＣのいわゆる後燃えが促進されると共に、触媒装置１２の三元触媒を早期に活性化させることが可能となる。従って、内燃機関１では、軽質燃料が使用されている場合、排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００３３】
さて、ＥＣＵ２０は、Ｓ１４にて各点火プラグ７による点火時期を遅角させると、記憶装置に予め記憶されているマップ等に従い、各燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を変化させると共にスロットル１０の開度を調節することにより、各燃焼室３に供給される燃料と空気との混合気の空燃比Ａ／Ｆをそれまでの理想空燃比よりもリーン化（酸素過剰化）させる（Ｓ１６）。これにより、Ｓ１４にて各点火プラグ７による点火時期を遅角させたことによって各燃焼室３から排気マニホールド６へと流出した燃料の燃焼をより効果的に促進させることが可能となるので、排気エミッションをより一層良好に低減させることができる。
【００３４】
更に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１６にて各燃焼室３に供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆをリーン化させた後、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、機関回転数の変動における変曲点を求めることにより、機関始動後に内燃機関１の機関回転数が一旦ピーク値ＮＥｐに達したか否かを判定する（Ｓ１８）。ＥＣＵ２０は、Ｓ１８にて内燃機関１の機関回転数がピーク値ＮＥｐに達したと判断した場合、図３に示されるように、その時点（図３における時刻Ｔｐ）以後、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ進角させる（Ｓ２０）。
【００３５】
このように、機関始動後に、機関回転数のピーク値ＮＥｐが一旦検出された段階から各点火プラグ７による点火時期を進角させることにより、各燃焼室３から排出される排気ガスの量を低下させることができる。この結果、内燃機関１では、排気エミッションを全体として極めて良好に低減させることが可能となる。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０の処理を実行した後、図２の機関始動時における点火時期設定処理を終了させ、通常運転時の処理へと移行する。
【００３６】
一方、内燃機関１の燃料として重質燃料が用いられた場合、内燃機関１が始動されてから、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了した時刻Ｔ１までの間における機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１は、軽質燃料が用いられた場合と比較して小さくなる（図３において実線および一点鎖線で示される機関回転数の曲線を参照）。このため、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１が閾値ＮＥｘを下回っていると判断した場合、内燃機関１において重質燃料が用いられているとみなし、図３において一点鎖線で示された点火時期の波形からわかるように、それ以後（時刻Ｔ１以降）、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ進角させる（Ｓ２２）。
【００３７】
この結果、内燃機関１では、重質燃料が使用されている場合、機関始動後、極めて短時間のうちに各点火プラグ７による点火時期が進角させられることになる。これにより、重質燃料が使用されている場合であっても、各燃焼室３内における燃焼が促進されるので、内燃機関１を安定した状態で作動させることが可能となる。
【００３８】
更に、ＥＣＵ２０は、Ｓ２２にて各点火プラグ７による点火時期を進角させると、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、機関回転数の変動における変曲点を求めることにより、機関始動後に内燃機関１の機関回転数が一旦ピーク値ＮＥｐに達したか否かを判定する（Ｓ２４）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２４にて内燃機関１の機関回転数がピーク値ＮＥｐに達したと判断した場合、更に、機関回転数のピーク値ＮＥｐが予め定められている閾値ＮＥｙ以上であるか否かを判定する（Ｓ２６）。なお、Ｓ２６の判定処理において用いられる閾値ＮＥｙは、重質燃料が使用されるとの前提のもとで、内燃機関１の各種運転条件等を考慮して定められる値であり、ＥＣＵ２０の記憶装置に予め記憶されている。
【００３９】
ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて機関回転数のピーク値ＮＥｐが予め定められている閾値ＮＥｙ以上であると判断した場合、図３に示されるように、その時点（図３における時刻Ｔｐ）以後、各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ遅角させる（Ｓ２８）。すなわち、内燃機関１では、燃料として重質燃料が用いられている場合、上述のように機関始動直後に点火時期が遅角されず、進角されることになるが（Ｓ２２）、このような場合であっても、内燃機関１では、機関始動直後の機関回転数のピーク値ＮＥｐが所定の閾値ＮＥｙ以上になると、当該ピーク値ＮＥｐの検出後に各点火プラグ７による点火時期が遅角させられる。これにより、排気ガス温度を上昇させて触媒装置１２の暖機を促進させることが可能となる。
【００４０】
ＥＣＵ２０は、Ｓ２８にて、所定時間（例えば、２０秒程度）だけ各点火プラグ７による点火時期を遅角させた後、Ｓ２０にて各点火プラグ７による点火時期をそれぞれ所定量だけ進角させる。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０の処理を実行した後、図２の機関始動時における点火時期設定処理を終了させ、通常運転時の処理へと移行する。
【００４１】
また、ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にて機関回転数のピーク値ＮＥｐが予め定められている閾値ＮＥｙを下回っていると判断した場合（図３において二点鎖線で示される機関回転数の曲線を参照）、図２に示されるように、Ｓ２０にて各点火プラグ７による点火時期を必要に応じて所定量だけ進角させる（図３において二点鎖線で示される例では、進角量がそのままに維持されている）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０の処理を実行した後、図２の機関始動時における点火時期設定処理を終了させ、通常運転時の処理へと移行する。
【００４２】
上述のように、内燃機関１によれば、機関始動後、極めて短時間のうちに、使用される燃料の性状に応じて点火時期を遅角または進角させることが可能となり、機関始動時の排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００４３】
なお、上述の内燃機関１は、各点火プラグ７による１サイクル目の点火が完了していると判断された段階で（Ｓ１０）、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いを示す値ＮＥ１と、予め定められた閾値ＮＥｘとが比較される（Ｓ１２）ものとして説明されたが、これに限られるものではない。すなわち、Ｓ１２における判定処理は、排気温度センサ１５によって検出される排気温度が、触媒装置１２よりも上流側の排気系統（排気マニホールド６）において未燃ＨＣが燃焼する限界温度である後燃え反応限界温度を超えた段階で行われてもよい。このように、排気温度センサ１５によって検出される排気温度が後燃え反応限界温度を超えたと判断された段階で、図２のＳ１２における判定処理が行なわれても、機関始動後、極めて短時間のうちに、使用される燃料の性状に応じて点火時期を遅角または進角させることが可能となり、機関始動時の排気エミッション（特にＨＣの排出）を極めて良好に低減させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、点火時期を適切に設定して、機関始動時における排気エミッションを極めて良好に低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】図１の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１の内燃機関の動作を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ 吸気マニホールド
６ 排気マニホールド
７ 点火プラグ
１０ スロットル
１１ 燃料噴射弁
１２ 触媒装置
１４ クランク角センサ
２０ ＥＣＵ
Claims (7)
- 燃焼室内で燃料を燃焼させて動力を発生可能な内燃機関において、
燃料の点火時期を遅角または進角させることができる点火時期設定手段を備え、この点火時期設定手段は、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上であるか否かを判定する判定処理を実行し、機関始動直後の機関回転数の上昇度合いが所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させることを特徴とする内燃機関。 - 前記点火時期設定手段は、１回目の点火が実行された段階で前記判定処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
- 前記点火時期設定手段は、前記判定処理に際して、１回目の点火が実行された段階で機関回転数が所定値以上である場合に、点火時期を遅角させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 前記点火時期設定手段は、機関始動直後に機関回転数のピークが検出されるまで点火時期を遅角させると共に、前記機関回転数のピークが検出された後に、点火時期を進角させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関。
- 前記点火時期設定手段が点火時期を遅角させた際に、前記燃焼室に供給される燃料と空気との混合気の空燃比がリーン化されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関。
- 前記点火時期設定手段は、機関始動直後に点火時期を遅角させなかった場合であって、かつ、機関始動直後の機関回転数のピークが所定値以上である場合には、前記機関回転数のピークが検出された後に点火時期を遅角させることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関。
- 燃焼室内で燃料を燃焼させて動力を発生可能であり、燃料の点火時期を遅角または進角させることができる内燃機関の制御方法において、
機関始動直後の機関回転数の上昇度が所定の度合い以上である場合に点火時期を遅角させることを特徴とする内燃機関の制御方法。
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